CN107483195A - 物联网环境下安全的双方认证与密钥协商协议 - Google Patents

物联网环境下安全的双方认证与密钥协商协议 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在物联网环境下安全的双方认证与密钥协商协议，其包括以下步骤：A、注册阶段：用户向服务器提交自己的，注册成为合法用户；B、登录和认证阶段：注册用户和服务器进行双向身份验证和密钥协商，建立此次通信的会话密钥。本发明解决了物联网通信中通信双发信息泄露、被窃取等不安全问题，并且在同类安全协议中有更高的性能和效率。本发明采用椭圆曲线加密算法，在诸如嵌入式设备等计算能力和存储资源受限的设备上，实现低消耗、高安全性的密钥协商和建立。

Description

物联网环境下安全的双方认证与密钥协商协议
技术领域
本发明涉及一种物联网环境下的通讯设备和服务器的双方认证和密钥协商协议。
背景技术
随着物联网的蓬勃发展，越来越多的通信设备通过有线或者无线的方式接入网络，实现信息交换和资源共享。然而，这些传递的数据很容易遭到攻击者的恶意劫持和篡改。一旦发生安全泄露，用户的隐私等敏感信息就无法保证，将会给用户造成极大甚至不可估量的损失。因此，物联网环境下的信息安全已经成为人们的迫切需求，也是几乎所有通信正常运行的保证。
目前，嵌入设备、可穿戴感知器、RFID设备等广泛使用在医疗保健、智能家居、环境监测等领域。这些设备有限的存储能力和计算水平，使得设备间的信息安全要求更高，如何实现抵消耗，高效率的安全通信成为当前人们最关心的话题。
加密认证是保护信息安全的常用手段之一，AKE协议（Authenticated KeyExchange Protocol）可以辅助通信双方彼此认证并建立会话密钥来保护后续通信内容。口令认证和密钥协商口令认证与密钥协商（Password-based authenticated key exchange,PAKE）协议是AKE协议的一种，仅仅通过一个低熵值的口令来完成通信双方彼此的认证和会话秘钥的建立。目前为止，PAKE协议应用广泛。
椭圆曲线密码学（ECC, Elliptic curve cryptography）是基于椭圆曲线数学的一种公钥密码的方法。椭圆曲线密码学的许多形式有稍微的不同，所有的都依赖于被广泛承认的解决椭圆曲线离散对数问题的困难性上，对应有限域上椭圆曲线的群。ECC和目前常用的RSA相比，许多方面都占有优势，主要体现在如下几个方面：1）抗攻击性强。相同的密钥长度，其抗攻击性要强很多倍；2）计算量小，处理速度快。ECC总的速度比RSA快得多；3）存储空间占用小。ECC的密钥尺寸和系统参数与RSA相比要小得多，意味着它所占的存贮空间要小得多。这对于加密算法在资源受限的应用具有特别重要的意义；4）带宽要求低。带宽要求低使ECC在无线网络领域具有广泛的应用前景。由于其自身优点，椭圆曲线密码学一出现便受到关注。现在密码学界普遍认为它将替代RSA成为通用的公钥密码算法，SET( SecureElectronic Transactions )协议的制定者已把它作为下一代SET协议中缺省的公钥密码算法。
到目前为止，大量的基于ECC的认证和密钥协商协议都是基于密码的，这些协议虽然保护信息安全，但是效率并不高。另外，由于用户使用的口令往往过于简单，如“123”，“abc”等，所以容易遭受字典攻击。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种物联网环境下的基于ECC的双方认证与密钥协商协议，采用用户的身份信息代替用户密码机制，大大增强了网络抵抗安全攻击的能力。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明提供一种物联网环境下的安全的双方认证与密钥协商协议，其包括以下步骤：
A、注册阶段：用户向服务器提交自己的信息，注册成为合法用户。
A1：用户将自己的通过安全信道发送给服务器。
A2：服务器收到用户发来的信息后，选择一个随机数和密钥过期时间，然后用私钥计算：，，，，。服务器存储到数据库，并且将发送给用户。
A3：用户存储收到的和自己的到数据库。
B、用户登录和验证阶段：注册用户和服务器进行双向身份验证和密钥协商，建立此次通信的会话密钥。
B1：用户选择一个随机数,计算,,然后将发送给服务器。
B2：服务器收到用户信息，根据恢复出，和，然后计算来验证是否合法。如何用户合法，则选择一个随机数，计算，，并且将，，发送给。
B3：用户收到服务器返回的信息后，计算,来验证服务器是否合法。如果服务器合法，则计算，，并且将发送给服务器。
B4：服务器收到用户信息后，计算来验证密钥是否正确建立。如果是，则双方密钥协商完成，可以用此密钥进行通信。
在上述步骤A到B中，各符号代表含义为：为合法注册用户i；为服务器server；为用户i的身份ID；为单向哈希函数；为会话密钥；为连接操作符；为异或操作符。
本发明所达到的有益效果是：
本发明解决了互联网通信中通信双发信息的泄露、被窃取等不安全问题，并且在同类安全协议中有更高的性能和效率。本发明采用的ECC加密机制，实现了在资源受限和计算能力有限设备上的高效运行，在拥有极高的安全可靠性的同时还具备极佳的时间效能。本发明采用的用户身份信息代替密码机制，大大减少了网络中由于用户设置低信息熵的口令所带来的安全风险。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明认证与密钥协商阶段的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种基于高可靠智能卡的三方口令认证与密钥协商协议，其包括以下步骤：
A、注册阶段：用户向服务器提交自己的信息，注册成为合法用户。
A1：用户将自己的通过安全信道发送给服务器。
A2：服务器收到用户发来的信息后，选择一个随机数和密钥过期时间，然后用私钥计算：，，，，。服务器存储到数据库，并且将发送给用户。
A3：用户存储收到的和自己的到数据库。
B、用户登录和验证阶段：注册用户和服务器进行双向身份验证和密钥协商，建立此次通信的会话密钥。
B1：用户选择一个随机数,计算,,然后将发送给服务器。
B2：服务器收到用户信息，根据恢复出，和，然后计算来验证是否合法。如何用户合法，则选择一个随机数，计算，，并且将，，发送给。
B3：用户收到服务器返回的信息后，计算,来验证服务器是否合法。如果服务器合法，则计算，，并且将发送给服务器。
B4：服务器收到用户信息后，计算来验证密钥是否正确建立。如果是，则双方密钥协商完成，可以用此密钥进行通信。
在上述步骤A到B中，各符号代表含义为：为合法注册用户i；为服务器server；为用户i的身份ID；为单向哈希函数；为会话密钥；为连接操作符；为异或操作符。
该协议可以抵抗很多已知攻击，其安全性分析如下。
（1）会话密钥的私有性：在该协议中，由于，而数据只被注册用户知道，数据只被服务器知道，用户和服务器通过信息传输共享信息和，所以会话密钥仅为用户和服务器共享。
（2）客户端与服务器之间的双向身份认证：服务器端和客户端需要辨认出对方身份的真实性。在本协议中，服务器端验证的正确性，如果通过则认为用户是合法的正确的用户；客户端验证的正确性，如果验证通过则认为服务器是合法的正确的。
（3）不需维护口令数据表：在该协议中，服务器只需要将数据保存在自己的数据库内，却不去保存用户的口令。所以该协议不需要维护口令数据表。
（4）抵抗已知会话密钥攻击：该协议中，会话密钥的生成依赖于随机数和，而每轮会话密钥的建立过程中都会重新选择随机数和。所以假设攻击者能够得到某次生成的会话密钥，仍然不能得到其他时候生成的会话密钥 （因为其他会话中的和是那一轮随机选择的具备新鲜性的数据）。
（5）抵抗口令猜测攻击：正如前述部分所提到的，一些PAKE协议遭受口令猜测攻击。在协议中，采用用户身份代替密钥的机制，所以可以抵抗口令猜测攻击。
（6）抵抗伪造攻击：如果攻击者E想要伪造用户，必须要窃取到用户数据库中的，然而由于只有用户知道，所以E无法伪造用户。同样，E也无法伪造服务器。因此，该协议能够抵抗伪造攻击。
（7）抵抗中间人攻击：在本协议中用户和服务器之间通过验证共享信息和达到相互认证目的，所以该协议能够抵抗这个攻击。
（8）抵抗重放攻击：由于在该协议中，每一轮协议的运行都会生成新的随机数和，所以当收到旧信息时，通信方不会验证通过，从而攻击者无法实施重放攻击。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种在物联网环境下安全的双方认证与密钥协商协议，其特征在于，包括以下步骤：
A、注册阶段：用户向服务器提交自己的信息，注册成为合法用户；
A1：用户将自己的通过安全信道发送给服务器；
A2：服务器收到用户发来的信息后，选择一个随机数和密钥过期时间，然后用私钥计算：，，，，；服务器存储到数据库，并且将发送给用户；
A3：用户存储收到的和自己的到数据库；
B、用户登录和验证阶段：注册用户和服务器进行双向身份验证和密钥协商，建立此次通信的会话密钥；
B1：用户选择一个随机数,计算,,然后将发送给服务器；
B2：服务器收到用户信息，根据恢复出，和，然后计算来验证是否合法；如何用户合法，则选择一个随机数，计算，，并且将，，发送给；
B3：用户收到服务器返回的信息后，计算,来验证服务器是否合法；如果服务器合法，则计算，，并且将发送给服务器；
B4：服务器收到用户信息后，计算来验证密钥是否正确建立；如果是，则双方密钥协商完成，可以用此密钥进行通信；
在上述步骤A到B中，各符号代表含义为：为合法注册用户i；为服务器server；为用户i的身份ID；为单向哈希函数；为会话密钥；为连接操作符；为异或操作符。
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